Hartowność.docx

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30 – 50˚C powyżej Ac , wygrzaniu w tej temperaturze i następnym oziębianiem w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej.

Temperaturę austenityzowania stali przyjmuje się w granicach 30-50˚C wyższą od Ac . Zależność tę należy traktować jako orientacyjną i odnoszącą się do stali niestopowych i niskostopowych. Prawidłowa temperatura austenityzowania stali może odbiegać od podanych zaleceń ramowych w zależności od rodzaju i zawartości pierwiastków stopowych i czynników technologicznych. Temperaturę austenityzowania stali stopowych ustala się eksperymentalnie bądź dobiera się z kart materiałowych lub wykresów CTP podających rzeczywiste temperatury Ac stali.

Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Hartowność jest to zdolność materiału (przedmiotu) do uzyskania dominującej przemiany martenzytycznej.

Średnica krytyczną wałka – średnica w której wałek zahartuje się i w przekroju ma przynajmniej 50% martenzytu.

Metody hartowania

·         Hartowanie zwykłe 

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju.

·         Hartowanie objętościowe

Występuje wtedy, gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość zahartowanej warstwy zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia.

·         Hartowanie powierzchniowe

Polega na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie, nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzieli się na: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, wiązkowe.

Hartowanie płomieniowe – powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.

Hartowanie indukcyjne – przedmiot przeciągany jest przez cewkę otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.

Hartowanie kąpielowe – polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.

·         Hartowanie martenzytyczne

Polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

·         Hartowanie bainityczne

W czasię tego hartowania stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej.

·         Hartowanie ciągłe

Polega na ciągłym obniżaniu temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej. Dobór ośrodka chłodzącego uzależniony jest od hartowanego materiału oraz rodzaju struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu procesu.

·         Hartowanie stopniowe

Polega na chłodzeniu obrabianego elementu w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze przez okres konieczny do wyrównania temperatury na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu lecz nie dłużej niż czas trwałości austenitu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Dzięki wyrównaniu temperatury na powierzchni i w rdzeniu materiału oraz powolnemu chłodzeniu po wytrzymaniu izotermicznym w przekroju elementu zanikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania i paczenia elementów. Jako kąpieli hartowniczych używa się najczęściej stopionych soli azotanów i azotynów sodu oraz soli potasu, które zapewniają szybki odbiór ciepła od ochładzanych elementów.

Czynniki wpływające na hartowność

·         Skład chemiczny

Węgiel i składniki stopowe poza kobaltem zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia. Pierwiastki rozpuszczające się w ferrycie, jak: Ni, Si, Mn i inne przesuwają krzywe początku przemian na wykresach CTPc w prawo, zwiększając zakres trwałości austenitu przechłodzonego.

Składniki węglikotwórcze, jak: Cr, Mo, V, W mają działanie dwojakie: zmieniają kształt i charakter wykresu oraz przesuwają krzywe rozpadu austenitu przechłodzonego w prawo, zwiększając równocześnie hartowność.

·         Wielkość ziarna austenitu

Im większe ziarno austenitu, tym większa jest głębokość hartowania. Wzrost wielkości ziarna austenitu powoduje, że zmniejsza się długość granic ziaren przypadająca na jednostkę powierzchni. Granica ziarna stanowi defekt struktury krystalicznej stopu, który jest uprzywilejowanym miejscem zarodkowania produktów przemian dyfuzyjnych przechłodzonego austenitu. Zwiększenie wielkości ziarna zwiększa, więc trwałość tego

austenitu.

·         Jednorodność austenitu

Niejednorodny austenit szybciej ulega przemianom, ponieważ o prędkości przemiany decyduje mniej nasycona pierwiastkami część austenitu, która ulega przemianom jako pierwsza. Dlatego podczas hartowania, przed oziębianiem, należy wsad wygrzać w temperaturze hartowania przez określony czas dla ujednorodnienia składu chemicznego austenitu.

·         Nierozpuszczone cząstki węglików, tlenków, azotków

Cząstki te przyśpieszają dyfuzyjne przemiany przechłodzonego austenitu, ponieważ stanowią dodatkowe miejsca zarodkowania powstających faz. Nierozpuszczone węgliki i azotki hamują rozrost ziarna austenitu oraz zubożają austenit w pierwiastki stopowe i węgiel, co również wpływa na zmniejszenie hartowności.

Odpuszczanie

Jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzaniu ich do temperatury niższej od przemian fazowych, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest ono stosowane w celu polepszenia właściwości elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pękania. Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy. Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

·         Odpuszczanie niskie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150–250 °C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

·         Odpuszczanie średnie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250°–500 °C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

·         Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Przemiany w stalach podczas chłodzenia.

Przemiany zachodzące stalach podczas bardzo powolnego chłodzenia są zgodne z układem żelazo-węgiel.

W miarę wzrostu szybkości chłodzenia charakterystyczne temperatury przemian obniżają się a austenit ulega przechłodzeniu.

Przemiana perlityczna- jest dyfuzyjna, co oznacza że do jej rozpoczęcia i przebiegu konieczne jest przegrupowanie atomów węgla i żelaza drogą dyfuzji. Po chłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ar1 zaczynają powstawać zarodki perlitu na drodze heterogenicznej. Zarodkami mogą być nie rozpuszczane całkowicie cząstki cementytu lub drobne wydzielenia ferrytu, które powstają na granicach ziaren austenitu. Prędkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania koloni perlitycznej. W warunkach izotermicznych szybkość wzrostu kolonii perlitu jest stała i również odległości między płytkami są stałe- nie zależą od struktury austenitu. W miarę obniżania temperatury, odległości między płytkami w perlicie zmniejszają się, co z jednej strony jest spowodowane obniżeniem szybkości dyfuzji a z drugiej większym zasobem energii swobodnej przy zwiększonym przechłodzeniu. Pozwala to na utworzenie granicy międzyfazowych o większej powierzchni.

Przemiana bainityczna- zachodzi w stalach węglowych poniżej temperatury najmniejszej trwałości austenitu. Jest również nazywana przemianą pośrednią. Przyjmuje się że zaczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziaren austenitu wskutek fluktuacji stężenia węgla. Z ferrytu tego wydzielają się bardzo drobne cząstki węglików. Przemiana bainityczna zaczyna się po chłodzeniu austenitu do pewnej określonej temperatury. Upodabnia ja to do przemiany martenzytycznej. Od przemiany martenzytycznej różni się tylko tym że wzrost płytek bainitu jest powolny i ciągły, co świadczy o dyfuzyjnym charakterze przemiany. Cechy morfologiczne bainitu różnią się od perlitu. Bainit górny jest pierzasty, dolny iglasty. W bainicie górnym wydzielenia węglików są grubsze i zorientowane przeważnie równolegle do osi płytek ferrytu. W bainicie dolnym węgliki są drobniejsze i  układają się w poprzeczne pasma pod kątem 55º do osi płytek. Twardość bainitu jest większa od perlitu, a mniejsza od martenzytu.

Przemiana martenzytyczna - występuje w stopach ale tylko martenzyt węglowy w stali cechuje się wysoką twardością. Martenzytem nazywamy przesycony roztwór stały węgla w żelazie α, który jest produktem przemiany bezdyfuzyjnej. W układzie Fe-C przemiana martenzytyczna przebiega tylko jednokierunkowo, podczas gdy w innych stopach jest odwracalna. Siła napędowa przemiany martenzytycznej jest różnica energii swobodnej między austenitem i martenzytem, ale warunkiem powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taka szybkością aby nie ulegała ona wcześniejszej przemianie w perlit lub bainit. Drugim warunkiem rozpoczęcia się przemiany martenzytycznej jest ochłodzenie austenitu poniżej określonej temperatury zwanej temperatura początku przemiany martenzytycznej. Jest ona stała dla konkretnej stali i nie zależy od zastosowanej szybkości chłodzenia. Warunkiem dalszego przebiegu przemiany martenzytycznej jest obniżenie temperatury. Po przekroczeniu temperatury końca przemiany dalsza przemiana nie zachodzi, pomimo że pozostaje jeszcze pewna ilość austenitu. Austenit ten nosi nazwę szczątkowego.

Próba hartowności metodą Jominy’ego.

Próba hartowności metodą hartowania od czoła polega na oziębieniu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej oraz pomiarze twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki. Wynik badania przedstawia się w postaci krzywej twardości próbki w funkcji odległości od jej powierzchni czołowej. Poza dużą prostotą i powtarzalnością wyników zaletą tej metody jest duży zakres zmienności szybkości chłodzenia na długości próbki od 350 do 2°C/s. Umożliwia to analizę zachowania się stali w różnych warunkach chłodzenia oraz badanie gatunków stali konstrukcyjnych o szerokim zakresie hartowności.

Do wad metody można zaliczyć:

• obecność bainitu nie jest wykrywana przez pomiar twardości, a ma wpływ na inne własności mechaniczne niż twardość,

• jednorodność austenitu ma duży wpływ na wyniki próby.

Przyjmując za kryterium idealną średnicę krytyczną, wyróżnia się cztery grupy stali:

1) o małej hartowności D0 < 50 mm,

2) o średniej hartowności D0 = 50÷80 mm,

3) o dużej hartowności D0 = 80÷150 mm,

4) o bardzo dużej hartowności D0 > 150 mm.

Wielkość średnicy krytycznej należy odczytać z wykresu 15.6

Hartowność jest jedną z najważniejszych cech użytkowych stali. Stanowi, bowiem główne kryterium doboru stali konstrukcyjnych i podstawę opracowania technologii ich obróbki cieplnej. Obecnie skład chemiczny stali konstrukcyjnych dobierany jest pod względem zapewnienia określonej hartowności. Pozwala to na racjonalny dobór stali w zależności od przekroju hartowanego elementu tak, aby nastąpiło jego zahartowanie na wskroś. Metoda hartowania od czoła polega na zahartowaniu od czoła próbki cylindrycznej o średnicy 25 mm i długości 100 mm z kołnierzem strumieniem wody wypływającej z dyszy o średnicy 12,5 mm. Po zahartowaniu zeszlifowuje się po 0,4‐0,5 mm wzdłuż przeciwległych tworzących próbki i dokonuje się pomiarów twardości na aparacie Rockwella w skali C w następujących odległościach od czoła:

‐ 2 pomiary, co 1,5 mm,

‐ 6 pomiarów, co 2 mm, dalej, co 5 mm.

Własności materiału sprawdzamy w oparciu o wykres 15.4 sprawdzając czy wyniki zgadzają się z pasmem hartowności.

Metoda P-F – Badanymi próbkami są wałki z karbem. Na przekrojach zostaje oceniona ilość martenzytu. W tym celu porównuje się wygląd przełomu ze skalą wzorców. Jeżeli istnieją produkty przemian dyfuzyjnych powstaną pękania z odkształceniem plastycznym.

Metoda P-F – Próbka pryzmatyczna, długość boku 30mm, kąt między ścianami piramidy 90˚ i chłodzi się natryskiem wody obie płaszczyzny. Próbki są przecinane i szlifowane, określa się długość do której występuje martenzyt.